درآمدی بر روانکارهای فیلم جامد

امروزه در بیشتر كارخانه های تولیدی قسمتی وجود دارد كه در آن شرایط علمیاتی از نظر محدوده روانكاری حاد یا ویژه تشخیص داده می شود. از جمله این شرایط می توان به سرعت های بالا و پایین محورها، دماهای بالا و پایین، فشار بالا، آلاینده های فرایند و عدم دسترسی در بعضی قسمت ها اشاره كرد. از طرفی روانكارهای سیال در شرایطی مناسب عمل می كنند كه صفحات سطوح طراحی شده و سرعت های محوری، اجازه تشكیل موثر فیلم روغن را بدهند كه البته باید به محدوده دمای عملیاتی (بین۲۰- تا۱۰۰ درجه سانتیگراد) نیز توجه داشت.
به عبارت دیگر محدودیت كاربرد روانكارهای سیال، صرف نظر از نوع روغن پایه روانكار، عبارتست از شرایطی كه سبب تغییر حالت سیال و در پی آن جلوگیری از تشكیل فیلم موثر می شود. مقاله حاضر به معرفی موادی می پردازد كه به صورت خالص یا افزودنی در روانكارها از سایش واصطكاك سطوح در شرایط حاد جلوگیری می كنند. با توجه به اینكه این مواد كه در بیشتر موارد به صورت جامد به كار می روند با نام روانكارهای فیلم جامد یا فیلم خشك شناخته می شود.
●شناخته شده این مواد افزودنی عبارتند از:
▪دی سولفید مولیبدنیوم (MoS۲) ، كه با نام مولی شناخته می شود.
▪ پلی تترافلوئورو اتیلن (PTFE) ، كه با نام تجاری تفلون شناخته می شود. گرافیت، نیترید بُرُن، تالك، فلوراید كلسیم، فلوراید سدیم، دی سولفید تنگستن.
كارشناسان روانكاری ماشین آلات معتقدند در میان مواد نام برده شده موادی همچون گرافیت، مولی و تفلون معتبرترند. مولیبدن و گرافیت از سنگ معدن استخراج می شوند و تفلون كه توسط كمپانی دوپونت ساخته شده است امروزه به وسیله شركت های مختلف تولید می شود كه دارای موارد استفاده متفاوتی است.
●روانكارهای فیلم خشك
روانكارهای فیلم خشك مواد جامدی هستند كه میان سطوحی كه با یكدیگر اصطكاك ایجاد كرده اند به كار می روند و باعث كاهش مقاومت اصطكاكی می شوند. هر كدام از این مواد خصوصیات متفاوتی دارند. موادی همچون دی سولفید مولیبدنیوم، گرافیت و دی سولفید تنگستن دارای ساختار شبكه ای كریستالی (Lamella) است كه همراه با روانكارهای دیگر و یا به صورت مستقل به كار می روند و كاربرد وسیعی دارند. پودرهای روانكاری Lamella به دلیل نیروهای برشی ضعیف میان لایه های كریستالی، مقاومت میان صفحات ورقه ای را كاهش می دهند. در بیشتر موارد استفاده از مولیبدنیوم در محیط های خشك از كارایی مناسبی برخوردار است.
● ویژگی های روانكارهای خشك
موادی كه در روانكاری خشك بكار می روند دارای خصوصیات متفاوتی هستند. ساختار دی سولفید مولیبدنیوم، گرافیت و دی سولفید تنگستن با مواد شوینده ناسازگار است. لایه های شبكه ای آنها همانند توده ای از صفحات نچسب است كه با نیروی مماسی ضعیفی بر روی هم می لغزند. این مواد چه در شكل ورقه ای و چه در شكل لوله ای از نظر قدرت تحمل بار، از ظرفیت خوبی برخوردارند. البته MoS۲ و Ws۲ نسبت به گرافیت قدرت تحمل بار بالاتری دارند و به همین دلیل برای استفاده در شرایط خلاء مناسب تر هستند.
●دی سولفید مولیبدنیوم
تا اواخر قرن هجدهم مولیبدن كشف نشده بود ولی نشانه هایی از بكارگیری ماده معدنی آن »مولیبدنیت« در دوران قدیم مشاهده شده است. (به عنوان مثال شمشیر ژاپنی كه متعلق به قرن۱۴ میلادی است حاوی مقدار قابل توجهی مولیبدن است).در گذشته تمایزی میان مواد مشابه مانند سرب، گالنا و گرافیت داده نمی شد. به طور كلی واژه یونانی » Molybdos « كه برای این دسته از مواد بكار می رفته است به معنای »سرب مانند« بوده است.
مولیبدن نخستین بار در سال۱۷۷۸ توسط دانشمند سوئدی كارل ویلهلم شیل كشف شد، مدتی كوتاهی بعد از آن یعنی در سال۱۷۸۲ »پیتر جاكوب« از طریق كاهش اكسید مولیبدنیت با كربن توانست به پودر فلزی سیاهرنگی دست یابد كه آن را مولیبدنیوم نامید. در طول قرن نوزدهم زمانی كه تكنولوژی استخراج آن به مقداری كه از نظر اقتصادی مقرون به صرفه بود عملی شد، این ماده به صورت آزمایشگاهی باقی ماند. در سال۱۸۹۱ شركت فرانسوی اشنایدر، مولیبدنیوم را به عنوان یك عنصر آلیاژی در ذره های تولیدی خود بكار برد و به زودی مشخص شد كه مولیبدنیوم جایگزین بسیار موثری برای تنگستن در آلیاژهای فولاد خواهد بود. این امر به دلیل دانسیته پایین آن نسبت به تنگستن است (دانسیته مولیبدنیوم كمی بیشتر از نصف دانسیته تنگستن است.)
MoS۲ در طبیعت به شكل رگه های جامد نازكی در گرانیت یافت می شود به همین دلیل برای دستیابی به خلوص مورد نظر در روانكاری می بایست مراحل فراوری مختلفی را پشت سر بگذارد. این ماده دارای كریستالی۶ گوشه است كه خصوصیت ذاتی برشی آنان بین مولكول های سولفور است و از آن جایی كه هیچ اثری از بخار آب بین صفحات شبكه ای آن وجود ندارد، ماده مناسبی در شرایط خلاء بالا است (شرایطی كه گرافیت جواب نمی دهد.) محدودیت دمایی این ماده۶۰۰ درجه سانتیگراد است.
MoS۲ در دمای بالای۳۱۵ درجه سانتیگراد شروع به اكسید شدن می كند. البته در هوای خشك بدون اكسیژن تا دمای۷۰۰ درجه سانتیگراد می تواند به عنوان یك روانكار عمل كند. مواد حاصل از اكسیداسیون MoS۲ عبارتند از : MoO۳ و So۲ . در كاربردهای فضایی در شرایط محیطی خاص استفاده از این ماده به جای گرافیت و یا دی سولفید تنگستن ترجیح داده می شود. البته ضریب اصطكاك MoS۲ بیشتر از گرافیت است.
●گرافیت
اولین نشانه های استفاده از گرافیت مربوط به اواسط قرن شانزدهم است. هنگامی كه از گرافیت برای ساخت مداد استفاده می كردند. گرافیت، شكل كریستالی و نرم كربن است ودارای رنگ خاكستری مایل به سیاه، كدر همراه با جلای فلزی است.
به طور طبیعی این ماده در سنگ های دگرگونی از قبیل مرمر و شیست یافت می شود و از آن جا كه دارای خواص فلزی و نیمه فلزی است، در بسیاری از كاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. خصوصیات فلزی این ماده شامل رسانش الكتریكی و گرمایی است و خصوصیات غیرفلزی آن عبارتند از خنثی بودن، مقاومت گرمایی بالا و لغزندگی. در میان كاربردهای عمده گرافیت می توان به استفاده از آن در روانكاری دمای بالا، جاروبك های موتورهای الكتریكی، باتری ها و پیل های سوختی اشاره كرد.
گرافیت نیز دارای ساختار كریستالی شبكه ای لایه ای (Lamella) است. به طوریكه پیوند بین اتم های كربن موجود در لایه ها، قوی تر از پیوندهای میان لایه هاست. گرافیت از كربن و بخار آب تشكیل شده است هر اتم كربن بوسیله۳ اتم كربن دیگر احاطه شده است. پیوند اتم های كربن در لایه ها به صورت حلقه های شش گوشه همانند حلقه بنزینی است. تا زمانی كه در ساختار گرافیت رطوبت و بخار آب وجود داشته باشد خاصیت روانكاری خوبی (تا دمای۷۹۰ درجه سانتیگراد) از خود نشان می دهد. ماده حاصل از اكسیداسیون گرافیت Co۲ است.بدیهی است گرافیت به دلیل وجود بخار آب كه ساختار مولكولی خود نمی تواند در شرایط خلاء به عنوان روانكاری مناسب عمل كند.
انواع تركیبات گرافیت و گرافیت خالص در سیستم های روانكاری خشك كاربرد وسیعی دارند كه از میان آنها می توان به استفاده از این ماده در دستگاههای برش سریع، آزاد سازی قالب در صنایع پلاستیك و لاستیك، سرسیلندر، موتور اتومبیل ها اشاره كرد.
●تفلون
مولكول زنجیره ای طویل و خطی پلی تترافلوئورواتیلن به طور اتفاقی توسط دكتر پلانكت در تاریخ۶ آوریل۱۹۸۳ كشف شد. دكتر پلانكت در آزمایشگاه شركت دوپونت در حال كار بر روی گازهای منتسب به مبرد فرئون (Freon) و كنترل نمونه منجمد و فشرده تترافلوئورو اتیلن بود كه مشاهده كرد این ماده به صورت خودبخودی و سریع به ماده جامد سفید رنگ پلیمریزه می شود كه در واقع همان پلی تترا فلوئورو اتیلن (PTFE) با فرمول شیمیایی [C۲F۴] است.
از آنجا كه تفلون در مقابل خیس شدن مقاومت می كند هنگامی كه به عنوان پوششی بر روی سطوح بكار می رود از خیس شدن سطوح جلوگیری می كند.این ماده تقریباً نسبت به تمام مواد شیمیایی بی اثر است و به عنوان لغزنده ترین ماده موجود شناخته می شود. بگونه ای كه ضریب اصطكاك دینامیك و ایستایی آن تقریباً برابر با یخ خیس بر روی یخ خیس است. این ماده كه با نام تجاری تفلون توسط كمپانی دوپونت ثبت شده است امروزه به طور وسیعی در منازل كاربرد دارد. (پوشش ظروف و یا از بین برنده لك و رنگ از پارچه) این ماده آب را جذب نمی كند و اسیدها، بازها و حلال های نرمال در دمای كمتر از۲۶۰ درجه سانتیگراد بر روی آن بی اثر است. به منظور دستیابی به خصوصیات مطمئن انواع پركننده ها (Fillers) به PTFE اضافه می شوند. موادی مانند فایبرگلاس كه سبب ایجاد مقاومت بالا در برابر سایش و اصطكاك پایین می شود. به طور كلی روانكارهای فیلم جامد سبب تقویت ویژگی های روانكاری در بیشتر روانكارهای سیال با پایه نفتی، سنتتیك و معدنی در محدوده عملیاتی حاد و شدید می شوند.

مترجم: امیررضا غیثی

منبع : ماهنامه نفت پارس